Java--垃圾回收机制(GC)

垃圾的定义：

从前面我们已经知道GC主要是回收Java堆中的对象，即此对象已经没有了价值，就是变成了“垃圾”，那么对象被判定为垃圾的标准是什么呢？——没有被其他对象引用。

判定对象是否是垃圾的算法:

引用计数算法：主要是判断对象的引用数量。

• 通过判断对象的引用数量来决定对象是否可以被回收
• 每个对象实例都有一个引用计数器，被引用则+1，完成引用则-1（局部变量的生命周期结束）
• 任何引用计数为0的对象实例都可以被当作垃圾收集

优点：执行效率高，程序执行受影响较小
缺点：无法检测出循环引用的情况，导致无法回收垃圾，从而引发内存泄漏

可达性分析算法：通过判断对象的引用链遍历（从GC Root开始）是否可达来决定对象是否可以被回收。

可作为GC Root的对象：

• 虚拟机栈中引用的对象（栈帧中的本地变量表）
• 方法区中的常量引用的对象
• 方法区中的类静态属性引用的对象
• 本地方法栈中JNI（Native方法）的引用对象
• 活跃线程的引用对象

回收垃圾的算法:

标记-清除算法（Mark and Sweep）

标记-清除算法（Mark and Sweep）

• 标记：从根集合进行扫描，对存活的对象进行标记（可达性分析算法）
• 清除：对堆内存从头到尾进行线性遍历，回收不可达的对象内存
• 缺点：产生大量的碎片，使得无法给较大的对象分配内存。（下图中BE之间的产生的占用两个单位的不连续碎片）

复制算法（Copying）

复制算法

• 分为对象面和空闲面
• 对象在对象面上创建
• 存活的对象被从对象面复制到空闲面
• 将对象面所有对象内存清除

优点：

• 解决了碎片化问题
• 顺序分配内存，简单高效

不足：

• 复制耗费时间，且要浪费一半的内存用作空闲面。

适用场景：适用于对象存活率低的场景（年轻代）

标记-整理算法（Compacting）

升级版的标记-清除算法（Mark and Sweep）

• 标记：从根集合进行扫描，对存活的对象进行标记
• 清除：移动所有存活的对象，且按照内存地址次序依次排列，然后将末端内存地址以后的内存全部回收。

标记-整理算法

优点：避免了内存的不连续行，防止出现大量内存碎片，不用浪费一半的内存（对比于复制算法）。

适用场景：适用于存活率高的场景（老年代）

标记分代收集算法（Generational Collector）

• 垃圾回收算法的组合拳
• 按照对象生命周期的不同划分区域以采用不同的垃圾回收算法

• 目的：用于提高JVM垃圾回收的效率
  JDK1.8及以后堆中的划分如下：

  
  
  

GC的分类

• Minor GC：发生在年轻代（对象出生的地方，该区域的对象几乎都是“朝生夕灭”）中的GC动作，采用的收集算法是复制（需要复制的对象很少）。
• Full GC：主要对老年代（该区域的对象是“幸存”下来的对象，一般不会再轻易“死亡”）的回收，但同时包含了对年轻代的回收（即包含了Minor GC）。采用的收集算法是标记-清除和标记-整理。相比Minor GC慢，执行频率低。

年轻代(Young Generation)

尽可能快速地收集掉那些生命周期短的对象

• Eden（伊甸园）区：
  1.正常情况对象刚被创建出来的时候在eden区，当eden区内存不足时会放到Survivor区，对象很大时会放入老年代。
  2.发生Minor GC后有用对象年龄+1并被放入到Suvivor区
  3.Eden默认占年轻代8的权重，Survivor区两空间分别占1
• 两个Survivor区（from、to）:发生Minor GC后有用对象年龄+1，并将存活对象从From使用复制算法到To中，清空From空间，当对象年龄达到一定值后进入老年区（默认15）

老年代(Old Generation)：存放多次gc后存活的和一些比较大的对象

对象如何晋升到老年代

• 经历一定Minor GC次数后依然存活的对象
• Survivor区中存放不下的对象
• 新生成的大对象（-XX:+PretenuerSizeThreshold）

常用的调优参数

• -XX:SurvivorRatio:Eden和Survivor的比值，默认8:1:1
• -XX:NewRatio:老年代和年轻代内存的大小比例
• -XX:MAXTenuringThreshold:对象从年轻代晋升到老年代进过GC次数的最大阈值

触发Full GC的条件

• 老年代空间不足
• 永久代空间不足（JDK1.8之前）
• CMS GC时出现promotion failed，concurrent mode failure
• Minor GC晋升到老年代的平均大小大于老年代的剩余空间
• 调用System.gc()（仅是通知，不保证何时执行）
• 使用RMI来进行PRC或管理的JDK应用，每小时执行1此Full GC

常见的垃圾收集器
不同虚拟机所提供的垃圾收集器可能会有很大差别，这里讨论的是HotSpot，HotSpot虚拟机所包含的所有收集器如图:

• Serial收集器（-XX:+UseSerialGC( UseSerialOldGC老年代),复制算法）
  Serial收集器是最基本、发展历史最久的收集器，是一个采用复制算法的单线程的新生代收集器。
  特点：
  (1). 针对新生代；
  (2). 采用复制算法；
  (3). 单线程。 它的“单线程”意义：
  a. 它只会使用一个CPU或一条线程去完成垃圾收集工作
  b. 它进行垃圾收集时必须暂停其他线程的所有工作，直到它收集结束（STW，Stop The World）。
  应用场景：
  Serial收集器是虚拟机运行在Client模式下的默认新生代收集器
  优点：
  简单高效。对于单个CPU环境而言，Serial收集器由于没有线程交互的开销，专心做垃圾收集自然可以获得最高的单线程收集效率。
  Serial/Serial Old收集器运行示意图：
  
  

• ParNew收集器（-XX:+UseParNewGC(UseParallelOldGC)，复制算法）
  ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本，在可用控制参数、收集算法、Stop The World、对象分配规则、回收策略等都与Serial收集器完全一样。是一个采用复制算法的并行多线程收集器，是一个新生代收集器。
  特点：
  (1). 与Serial收集器相同的特点：
  a. 针对新生代；
  b. 采用复制算法；
  c. STW
  (2). 主要特点：
  多线程。使用多线程进行垃圾收集。
  应用场景：
  它是Server模式下的虚拟机首选的新生代收集器。但在单个CPU环境中，不会比Serail收集器有更好的效果，因为存在线程交互的开销。
  ParNew/Serial Old收集器运行示意图：
  

  

• Parrallel Scanvenge收集器（-xx:+UseParallelGC(UseParallelOldGC)，复制算法）
  Parallel Scavenge收集器也是一个采用复制算法的并行多线程收集器，是一个新生代收集器。Parallel Scavenge收集器因为与吞吐量关系密切，也称为吞吐量收集器。
  特点：
  (1). 与ParNew收集器相同的特点：
  a. 新生代收集器；
  b. 采用复制算法；
  c. 多线程收集；
  (2). 主要特点：
  Parallel Scavenge收集器的目标是达一个可控制的吞吐量，而CMS等收集器的关注点是尽可能地缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间。
  所谓吞吐量的意思就是CPU用于运行用户代码时间与CPU总消耗时间的比值，即吞吐量=运行用户代码时间/（运行用户代码时间+垃圾收集时间），虚拟机总运行100分钟，垃圾收集1分钟，那吞吐量就是99%。
  应用场景：
  1.高吞吐量为目标，即减少垃圾收集时间，让用户代码获得更长的运行时间。
  2.当应用程序运行在具有多个CPU上，对暂停时间没有特别高的要求时，即程序主要在后台进行计算，而不需要与用户进行太多交互。例如，那些执行批量处理、订单处理、工资支付、科学计算的应用程序

• CMS收集器（-XX:+UseConcMarkSweepGC，标记-清除算法）

  • 初始标记：stop-the-world
  • 并发标记：并发追溯标记，程序不会停顿
  • 并发预清理：查找执行并发标记阶段从年轻代晋升到老年代的对象
  • 重新标记：暂停虚拟机，扫描CMS堆中的剩余对象
  • 并发清理：清理垃圾对象，程序不会停顿
  • 并发重置：重置CMS收集器的数据结构

Stop-the-World

• JVM由于要执行GC而停止应用程序的执行
• 任何一种GC算法中都会发生
• 多数GC优化通过减少Stop-the-world发生的时间来提高程序性能

Safepoint

• 分析过程中对象引用关系不会发生变化的点
• 产生Safepoint的地方：方法调用、循环跳转、异常跳转等
• 安全点数量要适中（太少会让GC等待太长的时间，太多增加了程序运行的负荷）

JVM的运行模式

• Server：重量级级启动，速度较慢，优化更多
• Client：轻量级启动，速度快

GC相关面试

Object的finalize（）方法的作用是否与C++的析构函数的作用相同？

• 与C++的析构函数不同，析构函数的调用时机（离开作用域）是确定的，而它是不确定的
• 将未被引用的对象放置于F-Queue队列
• 方法执行随时可能会被终止
• 给予对象最后一次重生的机会

代码实例：

public class Finalization {
    public static Finalization finalization;
    @Override
    protected void finalize() {
        System.out.println("Finalized");
        finalization = this;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Finalization f = new Finalization();
        System.out.println("First print: " + f);
        f = null;
        System.gc();
        try { //休息一段时间，确保GC线程执行完成
            Thread.currentThread().sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("Second print: " + f);
        System.out.println(f.finalization);
    }
}

输出：

First print: com.interview.javabasic.jvm.gc.Finalization@4554617c
Finalized
Second print: null
com.interview.javabasic.jvm.gc.Finalization@4554617c

Java中的强引用，软引用，弱引用，虚引用的作用？

强引用（Strong Reference)

• 最普遍的引用：Object ob = new Object()
• 抛出OutOfMemoryError终止程序也不会回收具有强引用的对象
• 通过将对象设置为null来弱化引用，使其被回收

软引用（Soft Reference）

• 对象处在有用当非必须的状态

• 只有当内存空间不足时，GC才会回收该引用的对象的内存

• 可以用来实现高速缓存

String str = new String("abc"); //强引用
SoftReference softRef = new SoftReference(str); //软引用

弱引用（Weak Reference）

• 非必须的对象，比软引用更弱一些，也可以用作缓存

• 只要GC就会被回收

• 被回收的概率也不大，因为GC线程优先级比较低

• 适用于引用偶尔被使用且不影响垃圾收集的对象

String str = new String("abc");
WeakReference weakRef = new WeakReference(str);

虚引用（PhantomReference）

• 不会决定对象的生命周期

• 任何时候都可能被GC

• 跟踪对象被GC的活动，起哨兵作用

• 必须和引用队列ReferenceQueue联合使用

String str = new String("abc");
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
PhantomReference ref = new PhantomReference(str, queue);

总结：

引用类型	垃圾回收时间	用途	生存时间
强引用	从来不会	对象的一般状态	JVM停止运行时
软引用	在内存不足时	对象缓存	内存不足时终止
弱引用	在垃圾回收时	对象缓存	gc运行后终止
虚引用	Unknown	标记、哨兵	Unknown